Концепции современного естествознания

Конечно, феномен перехода от беспорядка к порядку, упорядочения ученые знали и до этого. В качестве примеров самоорганизации в неживой природе можно привести авторегуляцию, принцип наименьшего действия и принцип Ле Шателье. Было открыто самопроизвольное образование на Земле минералов с более сложной кристаллической решеткой. В химии известны процессы, приводящие к образованию устойчивых структур во времени. Примером является реакция Белоусова-Жаботинского, где раствор периодически меняет свой цвет от красного к синему в зависимости от концентрации соответствующих ионов.

Вфизике явления самоорганизации встречаются от атомных объектов

икончая галактическими системами. Лично Г. Хакен считает маяком синергетики лазер. Атомы, внедренные в лазер, могут возбуждаться действием энергии извне, например, путем освещения. Если внешняя энергия недостаточна, лазер работает как радиолампа. Когда же она достигает мощности лазерной генерации, атомы, ранее испускавшие волны хаотично и независимо, начинают излучать один громадный цуг волн длиной около 300 000км. Атомная антенна начинает осциллировать в фазе, и волны совершают как бы одно коллективное движение. Биологические и социальные системы поддерживают упорядоченные состояния, несмотря на возмущающие влияния окружающей среды.

Синергетика исследует особые состояния систем в области их неустойчивого состояния, способность к самоорганизации, точки бифуркации (переходные моменты, переломные точки).

6.13.Синергетические закономерности

Нашим равновесным состоянием была полнейшая неупорядоченность.

Т. Хоуренс

Как же синергетика объясняет процесс движения от хаоса к порядку, процесс самоорганизации, возникновения нового?

1.Для этого система должна быть открытой. По мнению Стенгерс, большинство систем открыты – они обмениваются энергией, веществом информацией с окружающей средой. Главенствующую роль в окружающем мире играет не порядок, стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновестность, т.е. они непрерывно флуктуируют

2.Фундаментальным условием самоорганизации служит возникновение и усиление порядка через флуктуации.

3.В особой точке бифуркации флуктуация достигает такой силы, что организация системы не выдерживает и разрушается, и принципиально невозможно предсказать: станет ли состояние системы хаотичным или

291

она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности. В точке бифуркации система может начать развитие в новом направлении, изменить свое поведение. Под точкой бифуркации понимается состояние рассматриваемой системы, после которого возможно некоторое множество вариантов ее дальнейшего развития. Примером бифуркаций могут служить «выбор спутника жизни, ситуации выбора учебного заведения». Наглядный образ бифуркации дает картина В. М. Васнецова «Рыцарь на распутье».

4. Новые структуры, возникающие в результате эффекта взаимодействия многих систем, называются диссипативными, потому что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых, на смену которым они приходят. В точке бифуркации система встает на новый путь развития. Те траектории или направления, по которым возможно развитие системы после точки бифуркации и которое отличается от других относительной устойчивостью, иными словами, является более реальным, называется аттрактором. Аттракторэто относительно устойчивое состояние системы, притягивающее к себе множество линий развития, возможных после точки бифуркации. Случайность и необходимость взаимно дополняют друг друга в процессе возникновения нового.

5.Диссипативные структуры существуют лишь постольку, поскольку система диссипирует т.е. рассеивает энергию, а следовательно производит энтропию. Из энтропии возникает порядок с увеличением общей энтропии. Таким образом, энтропия не просто соскальзывает к системе дезорганизации, она становится прародительницей порядка, нового. Так из хаоса (неустойчивости) в соответствии с определенной информационной матрицей рождается Космос.

Действительно, возникнув из термодинамики неравновесных процессов, синтеза естествонаучных знаний, синергетика ориентирует на раскрытие механизмов самоорганизации сложных систем-природных и социальных, а также созданных руками человека. Вместе с синергетикой пришло понимание единства неорганического и органического мира, понимание того, что чередование хаоса и порядка является универсальным принципом мироустройства. По мнению академика Н. Моисеева: «все наблюдаемое нами, все, в чем сегодня участвуем – это лишь фрагменты единого синергетического процесса…» (Алгоритмы развития М., 1987 –

С.63).

Синергетика выявила бифукарционный механизм развития, конструктивную роль хаоса в процессах эволюции самоорганизованных систем, механизм конкуренции виртуальных, т.е. допустимых, возможных форм структур, заложенных в системе. По своему воздействию на современное

292

мировоззрение идеи синергетики равнозначны идеям теории относительности и квантовой механики. Синергетические понятия применимы к любым развивающимся системам. Они становятся инструментами социального мышления и анализа. Современная социальная наука, преодолевая механицизм и заимствуя идеи синергетики, все больше обращает внимание на неравновесные состояния, на процессы слома стабильного порядка (на переходы от порядка к хаосу, на рождение нового порядка). В развитии общества нередко возникают неустойчивые состояния «точки бифуркации» – перекрестки, расщепление путей развития. В период общественного кризиса бессмысленно уповать на так называемые объективные законы, которые делают людей слепыми по отношению к социальнополитическим и экономическим процессам.

Представление об обществе как социальной машине, действующей по «объективным законам», – досинергитический взгляд. Современное естествознание, наука и социальная жизнь заставляют нас осваивать новые синергетические инструменты мысли. Синергетические идеи активно влияют на мировоззренческие представления. Ведь синергетика выявляет общие идеи, методы и закономерности процессов самоорганизации в самых различных областях естественнонаучного, технического и социаль- но-гуманитарного знания. Наш долг – осваивать синергетические идеи, чтобы подняться на новый уровень мировоззрения, понимания действительности [7, 11].

Рассмотрим в качестве иллюстрации некоторые примеры самоорганизации систем в физике, химии, биологии и социуме.

Впринципе даже в термодинамическом равновесии можно указать примеры самоорганизации, как результаты коллективного поведения. Это, например, все фазовые переходы в физических системах, такие как переход жидкость – газ, ферромагнитный переход или возникновение сверхпроводимости. В неравновесном состоянии можно назвать примеры высокой организации в гидродинамике, в лазерах различных типов, в физике твердого тела – осциллятор Ганна, туннельные диоды, рост кристаллов.

Воткрытых системах, меняя поток вещества и энергии из вне, можно контролировать процессы и направлять эволюцию систем к состояниям, все более далеким от равновесия. В ходе неравновесных процессов при некотором критическом значении внешнего потока из неупорядоченных и хаотических состояний за счет потери их устойчивости могут возникать упорядоченные состояния, создаваться диссипативные структуры [32].

Классическим примером возникновения структуры из полностью хаотической фазы являются конвективные ячейки Бенара. В 1900 году была опубликована статья Х. Бенара с фотографией структуры, по виду напо-

293

минавшей пчелиные соты (рис. 29).

Рис. 29. Ячейки Бенара: а) – общий вид структуры б) – отдельная ячейка

Эта структура образовалась в ртути, налитой в плоский широкий сосуд, подогреваемый снизу, после того как температурный градиент превысил некоторое критическое значение. Весь слой ртути (или другой вязкой жидкости) распадался на одинаковые вертикальные шестигранные призмы с определенным соотношением между стороной и высотой (ячейки Бенара). В центральной области призмы жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней – опускается. Возникает разность температур Т между нижней и верхней поверхностью ∆T = Т2 – T1 > 0 .Для малых до критических разностей ∆T < ∆Tkp жидкость остается в покое, тепло снизу вверх передается путем теплопроводности . При достижении температуры подогрева критического значения Т2 = Tkp (соответственно ∆T = ∆Tkp ) начинается конвекции. При достижении критического значения параметра Т, рождается, таким образом, пространственная диссипативная структура. При равновесии температуры равны Т2 =T1 , ∆T = 0 . При кратковременном подогреве (подводе тепла) нижней плоскости, то есть при кратковременном внешнем возмущении температура быстро станет однородной и равной ее первоначальному значению.

Возмущение затухает, а состояние – асимптотически устойчиво. При длительном, но до критическом подогреве (∆T < ∆Tkp) в системе снова установится простое и единственное состояние, в котором происходит перенос к верхней поверхности и передачи его во внешнюю среду (теплопроводность), рис. 30, участок а. Отличие этого состояния от равновесного состояния состоит в том, что температура, плотность, давление станут неоднородными. Они будут приблизительно линейно изменяться от теплой области к холодной.

294

обычной лампы. Такое некогерентное излучение – это шум, хаос. При повышении внешнего воздействия в виде накачки до порогового критического значения некогерентный шум преобразуется в «чистый фон», отдельные атомы ведут себя строго коррелированным образом, самоорганизуются.

Лампа → Лазер Хаос → Порядок

Шум → Когерентное излучение В сверхкритической области режим «обычной лампы» оказывается не

стабильным, а лазерный режим стабильным, рис. 32.

Рис. 32. Излучение лазера в до критической (а) и сверхкритической (б) области

Видно, что образование структуры в жидкости и в лазере формально описывается весьма сходным образом. Аналогия связана с наличием тех же самых типов бифуркаций в соответствующих динамических уровнях.

Вхимических системах синергетика сосредотачивает свое внимание на тех явлениях, которые сопровождаются образованием макроскопических структур. Обычно если дать реагентам провзаимодействовать, интенсивно перемешивая реакционную смесь, то конечный продукт получается однородный. Но в некоторых реакциях могут возникать временные, пространственные или смешанные (пространственные-временные) структуры. Наиболее известным примером может служить реакция Белоусова - Жаботинского.

Вколбу сливают в определенных пропорциях Ce2(SO4), КВrO3, Н2(СООН)2, H2SO4, добавляют несколько капель индикатора окисления - восстановления – ферроина и перемешивают. Более конкретно исследу-

296

ются окислительно-восстановительные реакции Се3+ → Се4+; Се 4+ → Се 3+ в растворе сульфата церия, бромида калия, малоновой кислоты и серной кислоты. Добавление ферроина позволяет следить за ходом реакции по изменению цвета (по спектральному поглощению). При высокой концентрации реагирующих веществ, наблюдаются необычные явления.

При составе:

сульфат церия – 0,12 ммоль/л бромида калия – 0,60 ммоль/л малоновой кислоты – 48 ммоль/л

3N H2SO4

немного ферроина при 60°С изменение концентрации ионов церия приобретает характер ре-

лаксационных колебаний – цвет раствора со временем периодически изменяется от красного (при избытке Се3+) до синего (при избытке Се 4+),

рис. 33.

4 мин. 8 мин. 12 мин. 16 мин.

Рис. 33. Временные (а) и пространственные (б) периодические структуры в реакции Белоусова-Жаботинского

Такая система и эффект получили название химические часы. Если на реакцию Белоусова-Жаботинского накладывать возмущение – концентрационный или температурный импульс, то есть вводя несколько миллимолей бромида калия или прикасаясь к колбе в течении нескольких секунд , то после некоторого переходного режима будут снова совершаться колебания с такой же амплитудой и периодом, что и до возмущения.

Диссипативная Белоусова-Жаботинского реакция, таким образом, является ассимптотически устойчивой. Рождение и существование незатухающих колебаний в такой системе свидетельствует о том, что отдельные части системы действуют согласованно с поддержанием определенных соотношений между фазами.

При составе:

сульфата церия – 4,0 ммоль/л; бромида калия – 0,35 ммоль/л;

297

малоновой кислоты – 1,20 моль/л; серной кислоты – 1,50 моль/л; немного ферроина.

при 20°С в системе происходят периодические изменения цвета с периодом около 4 минут. После нескольких таких колебаний спонтанно возникают неоднородности концентрации и образуются на некоторое время (30 минут), если не подводить новые вещества, устойчивые пространственные структуры. Если непрерывно подводить реагенты и отводить конечные продукты, то структура сохраняется неограниченно долго.

Животный мир демонстрирует множество высокоупорядоченных структур и великолепно функционирующих. Организм как целое непрерывно получает потоки энергии (солнечная энергия, например, у растений) и веществ (питательных) и выделяет в окружающую среду отходы жизнедеятельности. Живой организм – это система открытая. Живые системы при этом функционируют определенно в дали от равновесия. В биологических системах, процессы самоорганизации позволяют биологическим системам «трансформировать» энергию с молекулярного уровня на макроскопический. Такие процессы, например, проявляются в мышечном сокращении, приводящим к всевозможным движениям, в образовании заряда у электрических рыб, в распознавании образов, речи и в других процессах в живых системах. Сложнейшие биологические системы являются одним из главных объектов исследования в синергетике. Возможность полного объяснения особенностей биологических систем, например, их эволюции с помощью понятий открытых термодинамических систем и синергетики в настоящее время окончательно неясна. Однако можно указать несколько примеров явной связи между понятийным и математическим аппаратом открытых систем и биологической упорядоченностью [3].

Социальная система представляет собой определенное целостное образование, где основными элементами являются люди, их нормы и связи. Как целое система образует новое качество, которое не сводится к сумме качеств ее элементов. В этом наблюдается некоторая аналогия с изменением свойств при переходе от малого к очень большому числу частиц в статической физике – переход от динамических к статическим закономерностям. При этом весьма очевидно, что всякие аналогии с физикохимическими и биологическими системами весьма условны, поэтому проводить аналогию между человеком и молекулой или даже нечто подобное было бы не допустимым заблуждением. Однако, понятийный и математический аппарат нелинейной неравновесной термодинамики и синергетики оказываются полезными в описании и анализе элементов самоорганизации в человеческом обществе [2, 5, 6, 7].

298

Социальная самоорганизация – одно из проявлений спонтанных или вынужденных процессов в обществе, направленная на упорядочение жизни социальной системы, на большее саморегулирование. Социальная система является системой открытой способная, даже вынужденна обмениваться с внешним миром информацией, веществом, энергией. Социальная самоорганизация возникает как результат целенаправленных индивидуальных действий ее составляющих.

Рассмотрим самоорганизацию в социальной системы на примере урбанизации зоны. Проводя анализ урбанизации географических зон можно предположить, что рост локальной заселенности данной территории будет обусловлен наличием в этой зоне рабочих мест. Однако здесь существует некоторая зависимость: состояние рынка, определяющего потребность в товарах и услугах и занятости. Отсюда возникает механизм нелинейной обратной связи в процессе роста плотности населения. Такая задача решается на основе логистического уравнения, где зона характеризуется ростом ее производительности N, новых экономических функций S – функция в локальной области i города.

6.14. Методологические проблемы синергетики

Одна из главнейших целей теоретического исследования в любой области знания состоит в том, чтобы найти точку зрения, с которой предмет представляется наиболее простым.

Д. Гиббс

Трудно или даже невозможно назвать область знания, в которой сегодня не проводились бы исследования под рубрикой синергетики. Для публикаций на тему синергетики характерно то, что в них нередко приводятся авторские трактовки принципов синергетики, причём трактовки довольно разнородные и не всегда достаточно аргументированные. Причиной этого является отсутствие достаточной определённости относительно основоположений синергетики и возникающей отсюда необходимости уточнения статуса излагаемого материала.

Мы говорим о концепции и технологии. Почему не о теории? Дело в том, что если понимать под теорией «систему идей в области знания, форму научного знания, дающую целостное представление о закономерностях и существенных связях действительности», то о построении такой теории в отношении синергетики можно говорить, и она в определённой мере существует сегодня. Однако областью явлений, из которых возникло современное понимание синергетики, является физика, теоретическая физика квантовых явлений. Именно это происхождение и связь синергетики

299

сточными науками делает, в первую очередь, правомочным название ее научным направлением. Для естественнонаучной теории вышеприведенное понимание теории является, очевидно, недостаточным. Кроме системы идей, эксперимента, моделирования, анализа и синтеза в широком понимании, необходимы также, в частности: конструктивный формализм, предсказательность, определенность круга явлений действительности, на которые распространяется теория. Говорить же сегодня о создании для синергетики специфического теоретического базиса физико-математи- ческого ранга по меньшей мере преждевременно. Следует учитывать и то, что современному этапу прогресса науки и техники свойственна опора на технологии не в меньшей степени, чем на теории, поскольку почти повсеместно приходится иметь дело с информационными объектами, которые несоизмеримо превосходят возможности непосредственного оперирования ими человеком. В качестве инструментов выступают технологические информационные средства, а не непосредственный невооруженный человеческий ум.

Сегодня в условиях, когда синергетика приобрела значения движущего начала в научных исследованиях, приходится беспокоиться о том, чтобы не был утерян научный статус синергетики как междисциплинарной области знания. Реальная опасность заключается в том, что, с одной стороны, по ряду причин в общественном мнении может сложиться отношение к синергетике как к общемировоззренческой концепции, граничащей

сдилетантизмом. С другой стороны, имеются тенденции отождествлять синергетику с тем или иным узким направлением исследований в физике, теории систем, также в областях прикладных исследований. Наиболее желательной альтернативой представляется выработка структурированного категориального базиса синергетики и других атрибутов, свойственных теоретическому знанию, которые позволили бы дополнить существующие представления более строгим их изложением.

Это доказательно показывается в работах Руденко А.П. То, что соответствующий факт остается завуалированным, способствует утверждению синергетики в качестве, хотя в значительной степени символической, но действенной основы для творческого взаимодействия физиков, химиков, биологов и нейробиологов, также специалистов других специальностей, включая гуманитарные, в направлении развития теоретической базы для едва ли не самого интересного, важного и сложного феномена природы – самоорганизации. Одна из задач, перед которой мы находимся – структурировать категориальный базис, очерчиваемый понятиями: синергетика, самоорганизация, система, эволюция, развитие [10].

Вопрос о том, что такое синергетика, является одновременно продук-

300